Сегодня кислород – жизненно важный элемент для множества обитателей Земли, но так было не всегда. При этом некоторые организмы могли научиться использовать его за сотни миллионов лет до появления кислородной атмосферы планеты
В наши дни в атмосфере содержится 23% свободного кислорода. Этот химический элемент жизненно необходим подавляющему большинству
современных живых существ, от бактерий до растений и животных: при
химической реакции окисления органических веществ в клетках выделяется
энергия, необходимая для жизнедеятельности.
Однако в течение примерно полутора млрд лет после зарождения жизни в
земной атмосфере было очень мало свободного кислорода. И лишь около 2,3
млрд лет назад на Земле случилась «кислородная катастрофа», или «великое окислительное событие» (Great Oxidation Event), которая определила эволюционный путь развития той кислорододышащей жизни, к которой принадлежим и мы.
Первыми производителями кислорода на планете стали хорошо всем известные цианобактерии, которые ранее называли сине-зелеными водорослями. Эти бактерии первыми научились использовать солнечный свет и воду для фотосинтеза,
выделяя кислород в качестве побочного продукта. Однако есть нюанс: сами
цианобактерии появились еще 2,9 млрд лет назад, т.е. они производили
кислород в течение сотен миллионов лет до «кислородной катастрофы». Куда
же он исчезал все это время?
Задержку между возникновением кислородного фотосинтеза и фактическим
накоплением кислорода в атмосфере традиционно объясняли в первую
очередь геохимическими факторами. Предполагалась, что молекулярный
кислород участвовал в реакции окисления различных восстановленных
химических соединений, в первую очередь железа и серы. Однако согласно
последним исследованиям, причины этого «разрыва» и неустойчивой динамики
содержания кислорода в тот период были намного более сложными.
Недавно ученые из Массачусетского технологического института, Университета Орегона и Техасского университета в Эль-Пасо (США) реконструировали эволюционную историю ферментов гемо-медных кислородных редуктаз (самый известный фермент в этой группе – цитохром c-оксидаза). Именно эти белковые катализаторы играют ключевую роль в аэробном дыхании, обеспечивая восстановление кислорода до воды у большинства современных организмов, от бактерий до человека.
Используя методы биоинформатики, исследователи идентифицировали
генетические последовательности этих белков у тысяч ныне живущих видов и сопоставили их с глобальным «древом жизни». Чтобы перевести
генетические изменения в конкретные временные интервалы, ученые
применили метод «молекулярных часов», калибруя древо с помощью данных
палеонтологии. Используя возраст известных окаменелостей как временные
метки, ученым удалось датировать этапы эволюции этих ферментов.
В итоге исследователи проследили происхождение гемо-медных кислородных редуктаз до мезоархейского периода, охватывающего 3,2–2,8 млрд лет назад. Как видно, этот геологической период на несколько сотен миллионов лет предшествует кислородной катастрофе.
Возможно, что уже вскоре после того, как цианобактерии «научились»
производить кислород, некоторые обитавшие по соседству организмы
приобрели способность его использовать. Ранние аэробы могли стали еще
одним из факторов, надолго сдержавших «кислородную революцию».
Фото: https://www.flickr.com
Публикации по теме:
По ступеням эволюции. Эволюция Земли, ландшафтной оболочки, климата и биосферы